韩国医用回旋加速器运行过程中金属部件的实验性激活评估

《Applied Radiation and Isotopes》：Experimental activation assessment of metallic components from medical cyclotron operations in South Korea

次级中子活化金属部件的定量研究及其应用价值

　　

李民权|郑熙哲|金尚祿|朴灿禄

韩国庆尚北道城南市三城道553号，Eulji大学放射科学系

摘要

基于回旋加速器的医用放射性核素生产不可避免地会产生次级中子，这些中子可能会引起周围材料的活化。尽管医用回旋加速器的临床应用日益增多，但对加速器组件中由中子引起的活化产物的系统测量仍然很少。因此，本研究旨在对在回旋加速器运行过程中暴露于次级中子的金属组件进行定量测量。通过从每个样品中机械切割直径为6.5毫米的圆形样品，并根据测得的表面剂量率对其进行系统分类，获得了代表性的金属子样本，包括降解剂和靶材防护装置。采用高纯度锗（HPGe）伽马射线光谱法来识别和量化活化产物，并计算了每种放射性核素的比活度（Bq·g^-1），同时考虑了子样本类型和测量位置的影响。分析结果显示，存在²²Na、²⁶Al、²⁰⁷Bi和⁶⁰Co等放射性核素，其活度水平受到材料类型和相对于束流靶的位置的显著影响。这些发现提供了来自实际测量的宝贵数据，为理解回旋加速器组件的中子诱导活化提供了基础数据集，并为改进辐射安全管理提供了依据。

引言

放射性核素在医学、工业和研究领域得到广泛应用，在正电子发射断层扫描（PET）和单光子发射计算机断层扫描（SPECT）等核医学成像技术中发挥着关键作用（Mausner等人，1998年；Srivastava等人，2001年；Knapp等人，1994年）。放射性核素主要通过回旋加速器产生，该加速器通过高能粒子与靶材相互作用来生成所需的放射性核素（Synowieck等人，2018年）。回旋加速器是一种利用磁场和高频电场组合来沿圆形轨迹加速带电粒子的粒子加速器（Awastthi等人，2014年）。韩国放射医学科学研究所（KIRAMS）的回旋加速器通过将粒子加速至50 MeV，生成用于医学诊断、治疗和研究的各种放射性核素。氢气被电离产生负氢离子（H^-），然后在加速器内被加速（Ehlers等人，1965年；Calvo等人，2021年）。加速后的离子穿过碳剥离箔，去除负电荷，生成高能50 MeV的质子（Djurovic等人，2001年）。这些质子沿束线运动，在与靶材相互作用时减速，根据靶材的元素组成引发核反应，产生特定的放射性核素（An等人，2008年）。

在质子诱导的核反应过程中产生的次级中子会与周围的金属结构相互作用，导致金属结构活化（Abuhoza等人，2022年）。特别是靶室和加速器组件中的金属部件会持续暴露在中子通量下，从而产生放射性废物。这种放射性废物主要来源于密封件、防护装置和能量降解剂等结构材料。截至2023年，韩国约有三十台回旋加速器在运行中，许多加速器设施正在老化。因此，全面的实际活化评估数据对于未来按照监管要求退役加速器设施至关重要。目前关于加速器组件活化的实际测量数据仍然不足，以往的相关研究主要依赖于蒙特卡洛模拟方法（Jang等人，2017年；Lee等人，2024年；Kim等人，2007年；Stefano等人，1998年）。Jang等人使用蒙特卡洛模拟研究了回旋加速器屏蔽墙的中子诱导活化（Jang等人，2017年）。研究发现，屏蔽墙中的¹⁵²Eu、¹⁵⁴Eu、¹³⁴Cs和⁶⁰Co等放射性核素导致的外围剂量率超过了1 μSv/h。Lee等人利用蒙特卡洛模拟和伽马射线光谱法评估了加速器设施的活化情况，确认了混凝土墙中存在¹⁵²Eu、¹⁵⁴Eu、¹³⁴Cs和⁶⁰Co等长寿命放射性核素（Lee等人，2024年）。以往对加速器的活化评估主要基于蒙特卡洛模拟分析，且关注的是混凝土墙而非金属材料的加速器组件（Dodd等人，2017年；Wang等人，2007年）。在韩国，放射性废物通过两种主要途径处理：由韩国放射性废物管理局（KORAD）负责处理的清除等级处理和委托处理。当放射性废物浓度低于核安全与安保委员会（NSSC）设定的限制时，可进行清除等级处理。而超过清除等级阈值的放射性废物必须通过KORAD委托处理，这会带来巨大的经济成本。然而，韩国目前尚缺乏关于回旋加速器运行产生的金属放射性废物的实际放射性测量数据。缺乏此类基础数据可能会限制制定适当的金属废物管理法规，从而导致不必要的经济负担和废物管理效率低下。因此，对受辐照金属废物进行准确的伽马光谱分析对于确定清除等级的可行性以及制定基于放射性特征的废物管理方案至关重要。虽然许多研究通过模拟或控制辐照实验研究了医用回旋加速器设施中的中子诱导活化现象，但缺乏来自长期常规运行后实际消耗组件的实验数据（Bonvin等人，2024年）。本研究通过提供基于高纯度锗（HPGe）的测量结果，填补了这一空白，为放射性废物评估和退役规划提供了实用的参考数据。本研究的目的是在现实运行条件下提供基于实验的数据，以补充现有的活化研究。

材料与方法

比活度（Bq·g^-1）的测量遵循以下程序进行：表面清洁以去除污染、根据表面辐射水平进行分类、从指定位置抽取代表性样本，并使用HPGe探测器进行伽马射线光谱分析。根据ISO 11929标准，使用相同的峰值搜索和背景估计设置计算了每种核素的最低可检测活度浓度（MDA）和计数几何条件。

结果与讨论

分析了回旋加速器产生的放射性废物的放射性浓度，并评估了子样本位置对测量结果的影响。本研究还提供了来自实际测量的基线数据，有助于更清楚地了解金属组件的活化情况。Calandrino等人主要研究了回旋加速器主要结构组件（包括磁系统、真空室和屏蔽装置）的活化情况。

结论

本研究基于对韩国医用回旋加速器运行过程中金属组件的实际测量进行了系统评估。本工作的创新之处在于获取了实际的伽马射线光谱数据，而不仅仅是依赖模拟方法。生成的数据集提供了有价值的基线信息，可用于制定管理和处置活化金属废物的基于证据的标准。这些发现有望

作者贡献声明

李民权：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件使用、资源准备、方法论设计、研究实施、资金获取、数据分析、数据整理。郑熙哲：初稿撰写、验证、方法论设计、研究实施、数据分析。金尚祿：审稿与编辑、验证、监督、软件使用、研究实施、数据分析。朴灿禄：审稿与编辑、可视化、验证、监督、软件使用。

未引用参考文献

Birattari和Salomone，1985年；Ehlers，1965年；Knapp和Mirzadeh，1994年；Ristic-Djurovic，2001年；Srivastava和Dadachova，2001年。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了Eulji大学的支持（2025年）。